環(huán)球新動態(tài)：打造低維量子物質(zhì)研究領域“航母”

“這就好像一艘航空母艦，把研究低維量子物質(zhì)需要的各種技術和設備集成在一個平臺上。有了它，我們就能攻克在這個領域研究中盲人摸象的問題，從更高、更全面的站位開展探索。”中國科學院院士薛其坤用這樣一個比喻，來形容“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實驗研究平臺”的特點和作用。

低維量子物質(zhì)是目前物理學研究內(nèi)容最豐富的領域之一，也是凝聚態(tài)物理當前最重要的課題之一。對這個領域的深入探索，將直接推動信息和能源等技術的發(fā)展和變革。

近年來，在國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目的支持下，薛其坤帶領團隊以解決重大科學問題為目標，發(fā)展相應的精密實驗技術，打造了世界上第一個“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實驗研究平臺”，為相關領域的研究打開了新局面。

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時間分辨角分辨率光電子能譜（項目組供圖，下同）

打造一個前所未有的平臺

低維量子物質(zhì)體系包括半導體異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣、石墨烯、銅基和鐵基超導體、拓撲絕緣體、氧化物界面等。這些體系展現(xiàn)了自然界中最神奇的量子態(tài)。對這個領域的探索，很有可能推動信息、清潔能源、電力和精密測量等技術的重大革新。

然而，這類體系的研究中除了需要精密的實驗手段外，更加棘手的是，它們在物理上可以簡化至厚度為1到幾個原子層/單位原胞的準二維體系，幾乎無法在空氣環(huán)境下直接進行研究。這對技術手段提出了極高的要求。

在此之前，國際上并沒有類似的能夠全面測量低維量子物質(zhì)物理性質(zhì)的系統(tǒng)。要想實現(xiàn)零的突破，就只能摸著石頭過河。

依托國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目，研究團隊將原子尺度上精確控制低維材料生長的技術與高靈敏實驗探測技術結(jié)合，發(fā)展出了原位研究低維量子物質(zhì)動力學行為的精密尖端實驗技術。

此前，人們對電子結(jié)構的拍照測量大多是靜態(tài)的?，F(xiàn)在，科研人員可以在飛秒水平上拍攝動態(tài)過程。

“就像從照片到視頻的飛躍?！毖ζ淅Α吨袊茖W報》說，“這讓我們可以捕捉一種材料在瞬間發(fā)生的變化，特別是從一種性質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種性質(zhì)時的變化。比如，我們知道一些材料在特定溫度下電阻會突然消失，這個變化發(fā)生時材料內(nèi)部發(fā)生了什么，我們現(xiàn)在可以捕捉并研究它?！?/p>

“一種材料從非超導狀態(tài)變成超導狀態(tài)、從非拓撲狀態(tài)變成拓撲狀態(tài)，變化過程是非常重要且非常有趣的。”項目組成員、清華大學物理系教授周樹云說，“這些過程的研究還處于早期階段。薛老師帶領我們研制的儀器設備，對相關前沿科學問題的探索非常重要?！?/p>

作為一個“航空母艦”式的平臺，“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實驗研究平臺”將超高真空極低溫強磁場原位輸運測量技術、超高真空低溫原位局域電勢測量技術、低溫原位微波阻抗顯微鏡、原位微區(qū)和時間分辨角分辨光電子能譜技術等集合在一起，在每個維度上都保證了世界領先的測量精度，達成了“全而精”的目標。

“過去，我們對低維量子物質(zhì)的探索就像盲人摸象，現(xiàn)在我們可以對低維量子物質(zhì)的不同物理性質(zhì)進行多方面研究，最終給出一個相對完整的畫像?！毖ζ淅ふf。 

迎難而上 不打折扣

這個項目于2015年1月立項，執(zhí)行期5年。按照原計劃，應該在2019年12月結(jié)項，但他們又延期了近2年。

其中一個關鍵難題，是把對材料物理性質(zhì)的控制和探索進一步拓展到皮秒甚至飛秒的超快時間領域。

“我們在研發(fā)過程中，需要產(chǎn)生能量連續(xù)可調(diào)的深紫外探測光源，而且是一個在時間上非常窄的超短脈沖，脈沖的寬度要小于100飛秒?！敝軜湓茖Α吨袊茖W報》說，“為此我們需要采用一種國產(chǎn)KBBF晶體，但這種晶體產(chǎn)生的光源時域很寬，不能直接用到實驗中，所以我們花了幾年時間攻關，把光源壓縮為一個特別短的脈沖?！?/p>

其實，早在項目進行到第4年的時候，他們的工作成果就已經(jīng)很接近目標了。但這個數(shù)值總在一百零幾上徘徊，并沒有真正進入100飛秒以內(nèi)。

“當時幾位老師感覺，這個數(shù)字基本已經(jīng)到頭了，再往前突破的余地并不是很大。而且，達到這個水平，測量效果還不錯。這個時候，一些畏難情緒和‘差不多’心態(tài)出現(xiàn)了?！毖ζ淅せ貞浀馈?/p>

但此時，基金委的監(jiān)理專家組卻堅持必須達到100飛秒以內(nèi)。在這種高標準、嚴要求下，周樹云等人迎難而上，超額完成任務，最后達到了驚人的“84飛秒以內(nèi)”。

“可見基金委設立的監(jiān)理專家組，從科學和技術上給予指導和監(jiān)督是非常有必要的。”薛其坤說，“專家組中的一些成員，平時也是關系很好的同行和朋友，但在這個時候，他們鐵面無私、嚴格要求，敦促我們在技術上實現(xiàn)了飛躍和突破。”

薛其坤認為，這一生動案例體現(xiàn)了國家自然科學基金委如何從機制設計上保證項目的質(zhì)量。

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薛其坤（左一）與學生討論儀器項目實驗數(shù)據(jù)

既打造成果也培育人才 

國家重大科研儀器的研制不僅需要前沿的理論知識、精湛的技術水平，還需要不同團隊之間密切的協(xié)作。

這個項目匯集了清華大學和中科院武漢物理與數(shù)學研究所的至少5個獨立課題組。不同領域的科學家相互協(xié)作，產(chǎn)生了非常好的交流碰撞。

“薛其坤老師是一位經(jīng)驗豐富，也很有遠見的科學家。他把我們大家集結(jié)在一起，讓我們每個人都做成了過去做不到的事情?！敝軜湓普f，“不管是老師還是學生，在這個過程中都獲益匪淺?！?/p>

目前在清華大學物理系做博士后的鮑昌華，曾經(jīng)在項目核心問題的解決中作出重要貢獻。他還憑借這些成績，拿到了清華大學博士研究生特等獎學金，這是作為清華學子的最高榮譽之一。

“這個項目貫穿了我整個博士階段的學習和成長，對我來說具有非常重要的意義。”鮑昌華說。

在項目研制中，他曾遇到很多困難。比如在尋找轉(zhuǎn)瞬即逝的超快電子信號時，需要調(diào)節(jié)兩束飛秒激光不僅在空間上實現(xiàn)微米級精度的完美重合，還要同時保證它們在萬億分之一秒的超快時間尺度上重合，非常具有挑戰(zhàn)性。

鮑昌華嘗試了很久，一直無法找到這一信號。后來在老師的建議下，他從根本的物理原理出發(fā)，把每個細節(jié)都做到極致，最終成功找到了信號，拍出了第一段電子結(jié)構在萬億分之一秒時間尺度上的動態(tài)“電影”。

“這個項目的很多關鍵技術指標都處于國際領先水平，對我們每個人來說，都是很大的挑戰(zhàn)，也是成長的機遇?！彼f，“我在這個項目中，完成了從一名學生到一名基礎科學研究工作者的蛻變?！?/p>

“國家重大科研儀器研制項目支持的這種聯(lián)合攻關機制，更好地磨煉了科研人員的本領，鍛造了他們直面挑戰(zhàn)的精神。”薛其坤說，“在這個過程中，我們不僅打造出了世界上唯一的實驗平臺，也培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的年輕科研工作者。”

《中國科學報》：當前科研范式正在發(fā)生深刻變革，這一點在綜合實驗研究平臺的研發(fā)上得到了怎樣的體現(xiàn)？

薛其坤：科研范式的變革取決于不同時期的科學發(fā)展階段。我們當前的使命是努力實現(xiàn)高水平科技自立自強。我們在這個過程中遇到的一個突出問題，就是科學儀器自主化程度不夠，特別是高端儀器比較依賴進口。

國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目，支持高端科研儀器研發(fā)，這本身就是科研范式變革中的應有之義。而且，在這樣的項目組織下，不同團隊、不同領域的人才能夠更有效地聯(lián)合在一起，協(xié)同攻堅克難，這也是一種新的范式。 

《中國科學報》：未來對于綜合實驗平臺的應用與推廣，團隊有什么計劃與期待？

薛其坤：第一，按照國家、基金委的要求，只要是省級單位、兄弟級部門需要的某些技術，我們會在國家允許的知識產(chǎn)權范圍內(nèi)，毫無保留地服務國家其他部門、單位和個人。

第二，我們現(xiàn)在有很多想法，除了自己的團隊利用好這些設備器材外，我們樂于與其他個人、單位甚至國外同行，針對一些重大科學問題開展合作。